Термомеханическое устройство исполнительных механизмов



Термомеханическое устройство исполнительных механизмов
Термомеханическое устройство исполнительных механизмов
Термомеханическое устройство исполнительных механизмов
Термомеханическое устройство исполнительных механизмов
Термомеханическое устройство исполнительных механизмов
Термомеханическое устройство исполнительных механизмов

 


Владельцы патента RU 2485198:

Российская Федерация, от имени которой выступает МИНИСТЕРСТВО ПРОМЫШЛЕННОСТИ И ТОРГОВЛИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к термомеханическим исполнительным механизмам, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую. Заявлено термомеханическое устройство. Термомеханическое устройство содержит рабочий элемент, выполненный в виде одного предварительно деформированного элемента или нескольких предварительно деформированных и параллельно и/или последовательно соединенных элементов из сплава на основе титана с эффектом памяти формы. Рабочий элемент выполнен в виде стержня с рабочей частью цилиндрической или прямоугольной формы и фиксирующими частями в форме расширений на концах стержня, площадь сечения которых не менее чем в пять раз больше площади сечения его рабочей части. Достигаются максимально возможные поступательные относительные перемещения элемента (до 6·10-2) при изменении его температуры на 15-50°С в пределах интервала температур обратного мартенситного превращения материала. 6 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к термомеханическим исполнительным механизмам, предназначенным для преобразования тепловой энергии в механическую.

Рабочие элементы таких исполнительных механизмов основаны на том, что при изменении их температуры за счет нагрева различными источниками тепла они изменяют свой объем или геометрические размеры. С помощью различных приспособлений или устройств эти изменения преобразуются в механическую энергию, характеризующуюся развитием усилий при перемещении фиксирующихся частей исполнительного элемента.

Примерами таких устройств могут служить механизмы, использующие в качестве рабочих элементов стержни из материалов с высоким коэффициентом термического расширения. При нагреве такого стержня происходит перемещение его концов (расширение) относительно элементов механизма, сделанных из материалов с обычным или пониженным коэффициентом термического расширения. При таком перемещении развиваются термоупругие напряжения, обеспечивающие соответствующие усилия. Такой принцип используется в устройствах управления термостатами автомобиля (терморасширяющийся пластик), автоматических выключателей электрочайников (биметаллические пластины) и других.

Ограничение использования таких устройств связано с низкими значениями коэффициента термического расширения (10-4-10-6), что вызывает необходимость значительного нагрева (не менее 60°С) при очень малых перемещениях точек фиксации.

Частично снять эти ограничения может использование материалов с эффектом памяти формы, которые начали производиться с конца 70-х годов прошлого века. В этих материалах при нагреве в интервале температур обратного мартенситного превращения (Анк), который составляет 10-30°С может устраняться ранее наведенная деформация величиной до 8·10-2 /А.А.Ильин «Механизм и конетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах», М., Наука, с.204-209/. В процессе такого изменения формы могут развиваться реактивные напряжения до 450-550 МПа, обеспечивающие значительные усилия восстановления формы.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является термомеханическое устройство, содержащее рабочий элемент, выполненный в виде одного или нескольких элементов из сплава на основе титана с эффектом памяти формы (Крахин О.И. и др., Сплавы с памятью. Технология и применение, Старый Оскол, «ТНТ», 2010 г., с.199-200, 209, 215, 217).

Однако данное устройство слишком громоздко и сложно.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства с рабочим элементом из материала с эффектом памяти формы, которое позволяет преобразовывать тепловую энергию в механическую энергию поступательного движения.

Техническим результатом изобретения является достижение максимально возможных поступательных относительных перемещений элемента (до 6·10-2) при изменении его температуры на 15-50°С в пределах интервала температур обратного мартенситного превращения материала.

Технический результат достигается в термомеханическом устройстве, содержащем рабочий элемент, выполненный в виде одного предварительно нагруженного элемента или нескольких предварительно нагруженных и параллельно и/или последовательно соединенных элементов из сплава на основе титана с эффектом памяти формы, причем рабочий элемент выполнен в виде стержня с рабочей частью цилиндрической или прямоугольной формы и фиксирующими частями в форме расширений на концах стержня, площадь сечения которых не менее чем в пять раз больше площади сечения рабочей части.

Необходимость увеличения площади поперечного сечения фиксирующей части стержня из материала с эффектом памяти формы по сравнению с силовыми стержнями из обычных конструкционных материалов связано с особенностями их механического поведения. Конструкционные материалы работают в механизмах в пределах упругих напряжений (ниже предела текучести), которые прямо пропорциональны деформации. Поэтому незначительное увеличение площади поперечного сечения фиксирующей части элемента приводит к снижению в ней напряжений и отсутствию заметного изменения формы, которое могло бы привести к нарушению фиксации. Материалы с эффектом памяти формы работают в пластической области при значительных деформациях. При этом они характеризуются двумя пределами текучести: мартенситным нижним, обусловленным протеканием превращения (около 120-150 МПа), и верхним, связанным с протеканием процессов скольжения (450-550 МПа). При нагружении материала в указанном интервале напряжений накапливаются значительные (до 10%) деформации, которые устраняются при последующей разгрузке (сверхупругость) или нагреве выше температур обратного мартенситного превращения (эффект памяти формы). В процессе нагружения стержневого элемента возникает ситуация, когда напряжения в его рабочей части приближаются к верхнему пределу текучести, а в фиксируемых частях напряжения должны оставаться ниже нижнего предела текучести. В противном случае произойдет изменение формы фиксирующей части элемента, нарушение ее контакта с другими деталями механизма и выход из строя устройства. Это особенно будет проявляться в том случае, когда фиксирующая часть элемента имеет концентраторы напряжений в виде резьбы (резьбовые соединения), отверстий (штифтовые соединения) и др.

В случае крепления элемента за счет трения в различных цанговых или клиновидных соединениях, которое чаще всего предполагается при фиксации торсионов (как в прототипе), изменение формы фиксирующей части приводит к нарушению соединения.

Во избежание подобных явлений необходимо, чтобы при напряжениях в рабочей части элемента, близких к верхнему пределу текучести материала, напряжения в фиксирующей части оставались ниже нижнего предела текучести. Это возможно в том случае, когда площадь поперечного сечения элемента, по крайней мере, в 5 раз превосходит площадь поперечного сечения рабочей части.

Форма фиксирующей части элемента зависит от способа его крепления. В случае резьбового соединения рабочая и фиксирующая части обычно имеют цилиндрическую форму (фиг.1). При штифтовом соединении они имеют прямоугольную форму (фиг.2). Клиновидное соединение может быть реализовано и при цилиндрической, и при прямоугольной форме поперечного сечения элемента.

Для увеличения силового воздействия элементы используются комбинированно, располагаясь параллельно и/или последовательно друг к другу. Соединение элементов между собой может осуществляться за счет промежуточных соединителей. В случае параллельного соединения элементов, пропорционально их количеству, возрастает усилие восстановления формы устройства. В случае последовательного их соединения, пропорционально их количеству, увеличивается перемещение конечных точек крепления устройства. Комбинированием способов соединения элементов можно обеспечить выполнение устройством необходимой работы с требуемыми усилиями и перемещениями.

Примеры выполнения устройства.

Из титанового сплава ВТ22И были изготовлены 2 элемента с рабочей частью цилиндрической формы диаметром 5 мм и фиксирующими концами диаметром 8 и 12 мм. В первом случае соотношение площади поперечного сечения фиксирующей и рабочей части составляла 2,5, во втором - 5,8. Элементы были закалены от температуры 900°С и подвергнуты растяжению на 5% при нормальной температуре. Элементы были введены в прорези одной стороны угловых соединителей (фиг.3), другие стороны которых зажимались в захватах разрывной машины. Рабочая часть элемента нагревалась с помощью газовой горелки до температуры 300-400°С, при которой происходило восстановление исходной формы элемента, вызванное этим сближение захватов машины и развитие усилий до 280 МПа. После охлаждения до нормальной температуры и разгрузки захватов машины элементы с диаметром фиксирующей части 12 мм легко разбирались и имели не измененную форму. Фиксирующая часть диаметром 8 мм врезалась в края прорези соединительного уголка и заклинилась в них. После разборки соединения с приложением усилия форма элемента была нарушена, что не позволяло его повторное использование.

Из листа сплава ТН1 (сплав на основе никелида титана) толщиной 2 мм лазерной резкой были вырезаны элементы, имеющие рабочую часть прямоугольной формы шириной 3 мм и фиксирующие части шириной 10 и 20 мм. В фиксирующей части были выполнены отверстия диаметром 4 мм. Таким образом соотношение площади поперечного сечения фиксирующей части в области отверстия и площади поперечного сечения рабочей части составляло 2,0 и 5,3 соответственно. Из элементов была составлена последовательная (фиг.4), параллельная (фиг.5) и последовательно-параллельная комбинация (фиг.6). Для этого элементы предварительно деформировали растяжением при нормальной температуре на 8%, а затем с помощью штифтов через отверстия в фиксирующей части соединяли между собой и крепежными деталями для помещения в захватах разрывной машины. Для некоторых случаев крепежные детали на одном конце устройства подвешивали к балке, а на другом закрепляли груз весом 0,1; 0,5 или 1,0 кг. На следующем этапе рабочие элементы устройства нагревали потоком теплого воздуха от фена до температуры 70-80°С (температуры восстановления формы сплава составляли 55-65°С). При нагреве в разрывной машине до указанной температуры устройство из одного элемента развивало усилие восстановления формы 1250 Н. В случае параллельного расположения двух элементов усилие увеличивалось примерно в 2 раза - до 2490 Н. Перемещение крепежных деталей было незначительно и определялось жесткостью разрывной машины.

При подвешивании минимального груза к одному элементу форма элемента практически полностью восстанавливалась и груз перемещался на 7,8% длины элемента. Увеличение веса груза приводило к уменьшению перемещения, но увеличению производимой работы под грузом.

Последовательное расположение рабочих элементов в устройстве обеспечивало увеличение перемещения пропорционально их количеству.

При последовательно-параллельном расположении элементов выполняемая устройством работа увеличивается во столько раз, сколько элементов входит в устройство. При этом усилие возрастает от количества параллельных элементов, а перемещение - от количества последовательных.

Разработанное устройство использовали для практического применения. Например, для предварительного стягивания фланцевого соединения трубопровода. В этом случае с каждой из сторон соединения на трубы надевали два полукольца, скрепленные между собой болтами. Полукольца имели 6 прорезей, в которые вставляли предварительно растянутые цилиндрические элементы из сплава ТН1. Эти элементы имели диаметр рабочей части 5 мм, фиксирующей части - 12 мм и длину 40 мм. После нагрева теплым воздухом от строительного фена до температуры 80-100°С полукольца сблизились на 2 мм, развив при этом усилие около 8000 Н, достаточное для стягивания фланцев и резинового уплотнения. После этого само соединение было закреплено болтами, а элементы после охлаждения вновь удлинились, что позволило их легко разобрать.

Другим применением разработанного устройства явилось приспособление для раскручивания резьбовых соединений большого диаметра (соединений труб буровых установок). С этой целью к рычагу зажимного устройства откручиваемой части трубы, имеющему на конце цилиндрический штырь диаметром 6 мм, присоединяли конец элемента, имеющего в фиксирующей части соответствующее отверстие. К этому элементу прикреплялась цепочка аналогичных элементов в количестве 8 штук. Другим концом цепочка элементов с помощью троса через отверстие в фиксирующей части элемента крепилась к силовым элементам буровой платформы. Предварительно элементы рычаговым прессом растягивались на 6% при нормальной температуре. После нагрева цепочки элементов газовой горелкой происходило сокращение ее длины на 40 мм и развитие усилия до 1200 Н. Этого было достаточно для страгивания резьбового соединения и дальнейшего его раскручивания вручную.

Таким образом, задача, поставленная в изобретении, по преобразованию тепловой энергии в механическую энергию поступательного движения с помощью устройства с рабочим элементом из материала с эффектом памяти формы решена. При этом обеспечиваются перемещения до 6·10-2 длины рабочей части элементов с развитием напряжений восстановления формы до 350-400 МПа, что можно признать хорошим техническим результатом.

Термомеханическое устройство, содержащее рабочий элемент, выполненный в виде одного предварительно деформированного элемента или нескольких предварительно деформированных и параллельно и/или последовательно соединенных элементов из сплава на основе титана с эффектом памяти формы, причем рабочий элемент выполнен в виде стержня с рабочей частью цилиндрической или прямоугольной формы и фиксирующими частями в форме расширений на концах стержня, площадь сечения которых не менее чем в пять раз больше площади сечения его рабочей части.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам изготовления тонких листов методом холодной прокатки из высокопрочных псевдо- -титановых сплавов, которые могут быть использованы в аэрокосмической, химической отраслях промышленности, машиностроении, медицине и других областях народного хозяйства.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам обработки полуфабрикатов из титанового сплава ВТ6, и может быть использовано в машиностроении, авиадвигателестроении и медицине.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к пластической деформации металлов, в частности к способам изготовления тонких листов из ( - )-, псевдо- , -титановых сплавов.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления полуфабрикатов и изделий из бета-титановых сплавов путем термомеханической обработки, сопровождающейся изменением свойств материала.

Изобретение относится к области сверхпроводимости и нанотехнологий, а именно к способу получения и обработки композитных материалов на основе высокотемпературных сверхпроводников (BTCП), которые могут быть использованы в устройствах передачи электроэнергии, для создания токоограничителей, трансформаторов, мощных магнитных систем.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к термомеханической обработке сплавов с памятью формы на основе никелида титана. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к аппарату и способу для термической обработки и окрашивания хирургических игл. .
Изобретение относится к области обработки металлов давлением, а именно к способам термомеханической обработки для получения в штампованных заготовках и полуфабрикатах из титановых сплавов повышенных эксплуатационных и технологических свойств, и может быть использовано в авиастроении, автомобильной промышленности.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении методом горячего деформирования промежуточных заготовок из титановых сплавов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, сплавам на основе титаналюминидов, предпочтительно на основе (TiAl), полученных порошковой или пирометаллургией.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к функциональным металлическим сплавам на основе титана и способу их обработки и может быть использовано для сверхупругих элементов конструкций, а также в хирургии и ортопедической имплантологии.

Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к производству титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 650°С, например для деталей корпуса и статорных лопаток компрессора высокого давления газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке новых нерадиоактивных материалов, и может быть использовано в атомной энергетической промышленности.
Изобретение относится к металлургии сплавов на основе титана, используемых в медицине для изготовления деталей эндопротезов и имплантатов, предназначенных для применения в ортопедии, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для изготовления полуфабрикатов и изделий из бета-титановых сплавов путем термомеханической обработки, сопровождающейся изменением свойств материала.
Изобретение относится к области машиностроения, в частности к деталям рабочего колеса, которые используются в изделиях топливной системы жидкостных ракетных двигателей.
Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С, в том числе длительное время.
Изобретение относится к области металлургии титановых сплавов и может быть использовано для изготовления деталей узлов ракетных двигателей, работающих в условиях высоких нагрузок при температурах до 800°С, в том числе длительное время.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, сплавам на основе титаналюминидов, предпочтительно на основе (TiAl), полученных порошковой или пирометаллургией.
Изобретение относится к цветной металлургии, а именно к созданию титановых сплавов, и может быть использовано в конструкциях, работающих при температурах до 350°С, например для силовых деталей корпуса и лопаток вентилятора и компрессора низкого давления.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к листам из чистого титана, которые могут быть использованы для изготовления пластин теплообменников
Наверх